柔索驱动单元.pdf

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1、(10)授权公告号 CN 102302835 B (45)授权公告日 2013.03.20 CN 102302835 B *CN102302835B* (21)申请号 201110172607.4 (22)申请日 2011.06.24 A63B 21/00(2006.01) (73)专利权人 哈尔滨工程大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区南通 大街 145 号哈尔滨工程大学科技处知 识产权办公室 (72)发明人 张立勋 邹宇鹏 王克义 (54) 发明名称 柔索驱动单元 (57) 摘要 本发明的目的在于提供柔索驱动单元， 包括 驱动单元支架、 周转柔索导向装置、 永磁直流力矩 电机、。

2、 固定柔索导向装置、 柔索牵引轮、 导向轴， 永磁直流力矩电机安装在驱动单元支架外， 柔索 牵引轮安装在驱动单元支架里， 永磁直流力矩电 机的输出轴连接柔索牵引轮， 周转柔索导向装置 通过导向轴连接固定柔索导向装置， 固定柔索导 向装置固定在驱动单元支架里， 周转柔索导向装 置、 导向轴安装在驱动单元支架外， 柔索缠绕在柔 索牵引轮上并穿过固定柔索导向装置、 导向轴、 周 转柔索导向装置。柔索驱动单元能够完成空间多 自由度的柔索驱动， 驱动单元模块化， 整体结构紧 凑、 质轻， 便于空间运输和拆装。 (51)Int.Cl. 审查员 方佳 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 4 页 (19。

3、)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 4 页 1/1 页 2 1. 柔索驱动单元， 其特征是 ： 包括驱动单元支架、 周转柔索导向装置、 永磁直流力矩电 机、 固定柔索导向装置、 柔索牵引轮、 导向轴， 永磁直流力矩电机安装在驱动单元支架外， 柔 索牵引轮安装在驱动单元支架里， 永磁直流力矩电机的输出轴连接柔索牵引轮， 周转柔索 导向装置通过导向轴连接固定柔索导向装置， 固定柔索导向装置固定在驱动单元支架里， 周转柔索导向装置、 导向轴安装在驱动单元支架外， 柔索缠绕在柔索牵引轮上并穿过固定 柔索导向装置、 导向轴、 周转柔索导向装置。 2。

4、. 根据权利要求 1 所述的柔索驱动单元， 其特征是 ： 所述的固定柔索导向装置包括固 定导向轮支架、 固定导向轮， 固定导向轮通过固定轮轴安装在固定导向轮支架上， 固定导向 轮轮槽的宽度小于柔索牵引轮轮槽宽度。 3. 根据权利要求 1 或 2 所述的柔索驱动单元， 其特征是 ： 还包括防松减震装置， 所述的 防松减震装置包括防松减震轮、 轮架、 连接轴、 扭力弹簧、 防松减震装置固定架， 轮架通过轮 轴连接防松减震轮， 扭力弹簧安装在连接轴上， 扭力弹簧和连接轴组成的机构将轮架和防 松减震装置固定架连接在一起， 防松减震装置固定架固定在驱动单元支架里， 防松减震轮 轮缘包围柔索牵引轮。 4.。

5、 根据权利要求 1 或 2 所述的柔索驱动单元， 其特征是 ： 还包括光电编码器， 所述的光 电编码器安装在永磁直流力矩电机上。 5. 根据权利要求 3 所述的柔索驱动单元， 其特征是 ： 还包括光电编码器， 所述的光电编 码器安装在永磁直流力矩电机上。 6. 根据权利要求 1 或 2 所述的柔索驱动单元， 其特征是 ： 还包括驱动单元防护罩， 驱动 单元防护罩和驱动单元支架相连并将驱动单元支架封闭。 7. 根据权利要求 3 所述的柔索驱动单元， 其特征是 ： 还包括驱动单元防护罩， 驱动单元 防护罩和驱动单元支架相连并将驱动单元支架封闭。 8. 根据权利要求 4 所述的柔索驱动单元， 其特征。

6、是 ： 还包括驱动单元防护罩， 驱动单元 防护罩和驱动单元支架相连并将驱动单元支架封闭。 9. 根据权利要求 5 所述的柔索驱动单元， 其特征是 ： 还包括驱动单元防护罩， 驱动单元 防护罩和驱动单元支架相连并将驱动单元支架封闭。 权 利 要 求 书 CN 102302835 B 2 1/4 页 3 柔索驱动单元 技术领域 0001 本发明涉及的是一种用于康复训练中驱动绳索的机械装置。 背景技术 0002 在载人航天事业中， 探索长期有效的失重生理效应综合对抗措施是载人航天亟需 解决的关键问题。 随着执行航天任务时间的延长、 任务日趋复杂和艰巨， 针对失重飞行的防 护措施也在不断更新。现阶段针。

7、对失重飞行的防护措施主要从以下几方面展开 ： (1) 利用 负压改变体液分布 ； (2) 科学睡眠 ； (3) 药物治疗 ； (4) 穴位刺激 ； (5) 体育锻炼 ； (6) 人工重 力。其中， 体育锻炼是现有对抗措施中的核心内容。体育锻炼能提高宇航员心理稳定性、 降 低生理失调， 还能减轻宇航员返回到地面后的行走困难， 是目前宇航员抵抗失重影响的主 要方法。 0003 目前， 国内外关于宇航员康复训练方面的专利中 ： 专利 Resistance GarmentsAnd Active Materials( 专利号为 12634519) 提供了一种抗阻力航天服， 在航天服的各个关节 处链接了弹。

8、性柔索， 宇航员通过克服柔索弹性锻炼身体各部分肌肉 ； 专利Micro-g Neutral Platform for Space Travel Missions( 专利号为 5098040) 提供了一种阻力训练器， 该训 练器是通过柔索将运动阻力传递到手柄上， 宇航员通过该训练器对上肢肌肉进行锻炼 ； 宇 航员训练器(专利号为200710072348.1)创新性地将并联柔索驱动机器人应用到宇航员康 复训练中， 通过并联柔索驱动机器人模拟真实重力环境下的运动负载特性， 使处于失重环 境的宇航员在进行跑步训练时感受到与重力环境相当的负载， 帮助宇航员进行锻炼。并联 柔索驱动机器人具有构型简洁、 质。

9、量和惯性小， 驱动效率高， 同时柔索运动范围大， 便于实 现复杂的位姿控制。 将并联柔索驱动机器人应用到失重环境宇航员的康复训练具有无法比 拟的优势， 利用并联柔索驱动机器人跟随人体在进行各种运动时的复杂位姿， 并把相应的 载荷施加到人体上， 对航天员进行全面合理地训练， 这对于改善失重环境宇航员的康复训 练效果具有重要的意义。 0004 在实际训练过程中， 宇航员康复训练机器人的柔索驱动单元是模块化的， 各个柔 索驱动单元工作效果的好坏将直接决定宇航员的康复训练效果。 柔索驱动单元在准确跟随 人体位姿的同时还要提供足够的负载力。因此， 保证柔索驱动单元在训练过程中稳定可靠 地工作是必须解决的。

10、问题。工作时柔索驱动单元必须满足以下几个要求 ： 0005 1、 电机驱动能力充足 ； 驱动单元整体结构紧凑、 质轻， 便于拆装和运输。 0006 2、 工作过程中， 柔索必须在张紧状态下缠绕在柔索牵引轮上 ； 训练过程中柔索在 驱动单元内传动是不脱落、 不震荡 ； 柔索传动阻尼小。 0007 3、 工作过程中， 柔索之间、 柔索与机体之间不能相互干涉。 发明内容 0008 本发明的目的在于提供解决宇航员康复训练机器人的柔索驱动单元柔索容易震 荡、 脱落， 柔索容易与机体发生干涉， 驱动柔索过程中摩擦损耗大等问题的柔索驱动单元。 说 明 书 CN 102302835 B 3 2/4 页 4 0。

11、009 本发明的目的是这样实现的 ： 0010 本发明柔索驱动单元， 其特征是 ： 包括驱动单元支架、 周转柔索导向装置、 永磁直 流力矩电机、 固定柔索导向装置、 柔索牵引轮、 导向轴， 永磁直流力矩电机安装在驱动单元 支架外， 柔索牵引轮安装在驱动单元支架里， 永磁直流力矩电机的输出轴连接柔索牵引轮， 周转柔索导向装置通过导向轴连接固定柔索导向装置， 固定柔索导向装置固定在驱动单元 支架里， 周转柔索导向装置、 导向轴安装在驱动单元支架外， 柔索缠绕在柔索牵引轮上并穿 过固定柔索导向装置、 导向轴、 周转柔索导向装置。 0011 本发明还可以包括 ： 0012 1、 所述的固定柔索导向装置。

12、包括固定导向轮支架、 固定导向轮， 固定导向轮通过 固定轮轴安装在固定导向轮支架上， 固定导向轮轮槽的宽度小于柔索牵引轮轮槽宽度。 0013 2、 还包括防松减震装置， 所述的防松减震装置包括防松减震轮、 轮架、 连接轴、 扭 力弹簧、 防松减震装置固定架， 轮架通过轮轴连接防松减震轮， 扭力弹簧安装在连接轴上， 扭力弹簧和连接轴组成的机构将轮架和防松减震装置固定架连接在一起， 防松减震装置固 定架固定在驱动单元支架里， 防松减震轮轮缘包围柔索牵引轮。 0014 3、 还包括光电编码器， 所述的光电编码器安装在永磁直流力矩电机上。 0015 4、 还包括驱动单元防护罩， 驱动单元防护罩和驱动单。

13、元支架相连并将驱动单元支 架封闭。 0016 本发明的优势在于 ： 柔索驱动单元能够完成空间多自由度的柔索驱动， 满足了宇 航员康复训练机器人多种训练模式的要求， 扩大了机器人的工作范围。 驱动单元模块化， 驱 动单元整体结构紧凑、 质轻， 便于空间运输和拆装。柔索驱动单元可以保证柔索不脱落、 不 震荡， 柔索传动平稳 ； 柔索传动过程中不与机体发生干涉， 柔索传动阻尼小， 工作效率高。 附图说明 0017 图 1 为本发明的总体装配图 ； 0018 图 2 为本发明的内部装配图 ； 0019 图 3 为本发明的固定柔索导向装置、 周转柔索导向装置、 导向轴和导向装置固定 架的装配爆炸图 ； 。

14、0020 图 4 本发明周转柔索导向装置的装配爆炸图 ； 0021 图 5 本发明固定柔索导向装置的装配爆炸图 ； 0022 图 6 本发明柔索防松减震装置的装配爆炸图。 具体实施方式 0023 下面结合附图举例对本发明做更详细地描述 ： 0024 结合图 1 6， 本发明柔索驱动单元的总体装配图如图 1 所示， 柔索驱动单元内部 装配图如图 2 所示 ： 柔索驱动单元由驱动单元防护罩 1、 驱动单元支架 2、 柔索 3、 周转柔索 导向装置4、 永磁直流力矩电机5、 光电编码器6、 固定柔索导向装置7、 柔索牵引轮8、 防松减 震装置 9 和导向轴 10 组成。所述的驱动单元支架 2 由驱动。

15、单元固定架 2_1、 导向装置固定 架 2_2、 电机固定架 2_3 和驱动单元侧壁 2_4 四部分组成。 0025 周转柔索导向装置 4、 固定柔索导向装置 7、 导向轴 10 和导向装置固定架 2_2 之间 说 明 书 CN 102302835 B 4 3/4 页 5 的装配如图 3 所示。其中， 周转柔索导向装置 4 通过过盈配合和弹簧挡圈 10_1 连接在导向 轴10上， 该装置位于导向装置固定架2_2的上部， 柔索驱动单元的外部， 是柔索传动的末端 环节。固定柔索导向装置 7 连接在导向装置固定架 2_2 的下面， 位于整个驱动单元内部， 是 柔索传动的中间环节。导向轴 10 通过 。

16、2 个深沟球轴承 10_4 和弹簧挡圈 10_1、 10_2、 10_5 等与导向装置固定架 2_2 相连， 两轴承之间有套筒 10_3。 0026 所述的周转柔索导向装置 4 装配爆炸图如图 4 所示 ： 它是由弹簧挡圈 4_1 和 4_2、 深沟球轴承 4_3、 周转导向轮 4_4、 周转轮轴 4_5、 周转导向轮支架 4_6 几部分组成。所述的 固定柔索导向装置 7 装配爆炸图如图 5 所示 ： 它是由固定导向轮支架 7_1、 固定轮轴 7_2、 弹簧挡圈 7_3 和固定导向轮 7_4 组成。所述的柔索防松减震装置 9 的装配爆炸图如图 6 所 示 ： 它是由轮轴 9_1、 防松减震轮 。

17、9_2、 弹簧挡圈 9_3 和 9_6、 轮架 9_4、 连接轴 9_5、 扭力弹簧 9_7 和放松减震装置固定架 9_8 几部分组成。 0027 永磁直流力矩电机 5 通过电机定位孔连接在电机固定架 2_3 上。电机 5 后端接有 光电编码器 6， 通过检测电机转速来检测柔索长度。永磁直流力矩电机 5 输出轴接有柔索 牵引轮 8， 柔索 3 缠绕在上面， 实现柔索 3 的伸缩。柔索 3 穿过固定柔索导向装置 7、 导向轴 10、 周转柔索导向装置 4 输出。本发明能够实现多自由度的柔索驱动， 能够有效防止柔索脱 落并减小震荡， 防止柔索与机体干涉并减小摩擦损耗。其各项功能是这样实现的 ： 0。

18、028 1. 多自由度的柔索驱动。在宇航员康复训练过程中， 柔索 3 的牵引方向以及柔索 长度都要随着宇航员的运动发生变化。利用永磁直流力矩电机 5 带动柔索牵引轮 8 缠绕柔 索 3 实现对柔索 3 长度控制， 并利用光电编码器 6 检测柔索长度 ； 当柔索 3 的牵引方向发生 改变时， 由于周转导向轮 4_4 相对于周转柔索导向装置 4 存在偏心矩， 周转柔索导向装置 4 会跟随柔索 3 发生转动， 实现空间多自由度的柔索驱动。 0029 2. 防止柔索脱落， 减小震荡。防松减震轮 9_2 轮缘包围柔索牵引轮 8， 能避免柔索 3 在传动过程中脱落柔索牵引轮 8 ； 另外， 固定导向轮 7。

19、_4 轮槽的宽度小于柔索牵引轮 8 轮 槽宽度， 也可以在一定程度上起到防脱落的作用。通过防松减震装置 9 的扭力弹簧 9_7 吸 收传动过程中柔索震荡的能量， 减小柔索 3 在驱动单元内的震荡。 0030 3. 避免柔索与机体干涉， 减小摩擦损耗。导向轴 10 的轴线与柔索牵引轮 8、 固定 导向轮 7_4 和周转导向轮 4_4 相切， 固定导向轮支架 7_1、 导向轴 10、 周转导向轮支架 4_6 及导向装置固定架 2_2 均有通孔， 柔索 3 穿过三者输出。两固定导向轮 7_4 轮槽的宽度以 及深度之和小于导向轴10中孔的直径， 两周转导向轮4_4轮槽宽度及深度之和小于导向轴 10 中。

20、孔的直径， 保证柔索 3 不与导向轴 10 干涉。周转导向轮 4_4 轮槽宽度与柔索 3 直径 相当， 保证了柔索 3 稳定的在周转导向轮 4_4 轮槽内传动。周转导向轮支架 4_6 的上部有 圆弧形突起， 当柔索 3 的牵引方向发生较大角度变化时， 在圆弧形突起的导向作用下， 柔索 3 仍能回到周转导向轮 4_4 轮槽内， 有效避免柔索与支架干涉。尼龙材质的固定导向轮 7_4 和防松减震轮 9_2、 周转导向轮 4_4 均能有效减小传动阻尼。 0031 驱动单元支架 2 起固定支撑作用。 0032 固定柔索导向装置 7 的固定导向轮 7_4 通过固定导向轮支架 7_1 连接在导向装置 固定架。

21、 2_2 的下面， 位于整个驱动单元内部， 是柔索传动的中间环节。该装置可以在一定程 度上避免柔索 3 脱离牵引轮 8， 主要是避免柔索 3 与导向轴 10 干涉， 并减小传动阻尼。 0033 周转柔索导向装置 4 的周转导向轮 4_4 通过周转轮轴 4_5 和轴承连接在周转导向 说 明 书 CN 102302835 B 5 4/4 页 6 轮支架 4_6 上， 周转导向轮支架 4_6 通过过盈配合和轴用弹簧挡圈连接在导向轴 10 上。周 转柔索导向装置 4 位于导向装置固定架 2_2 上部， 是柔索传动的末端环节。该装置主要作 用是跟随柔索 3 的牵引方向， 避免柔索 3 与机体干涉， 减小。

22、传动阻尼。 0034 周转导向轮支架 4_6 主要作用之一是固定周转导向轮 4_4 ； 其二， 支架的上部有圆 弧形突起， 其主要作用是保证柔索3在牵引方向发生较大角度的变化时， 柔索3仍能处于周 转导向轮 4_4 轮槽内， 起一定的导向作用， 有效避免柔索 3 与支架干涉。 0035 导向轴 10 上部连接有周转柔索导向装置 4， 通过 2 个深沟球轴承和弹簧挡圈等与 导向装置固定架相连。采用双排轴承由有效减小柔索驱动过程中径向力对轴承的破坏。导 向轴 10 带着周转柔索导向装置 4 可绕自身轴线转动。 0036 防松减震装置9的防松减震轮9_2通过轮轴9_1连接在轮架9_4上， 扭力弹簧9。

23、_7 在轮架 9_4 与防松减震装置固定架 9_8 的作用下发生弹性变形使防松减震轮 9_2 与柔索牵 引轮 8 紧密配合， 并且通过扭力弹簧吸收传动过程中柔索 3 震荡的能量。防松减震装置 9 连接在柔索驱动单元的侧壁上。 防松减震轮9_2轮缘包围牵引轮8， 能避免柔索3在传动过 程中脱落。 0037 两固定导向轮 7_4 轮槽的宽度小于柔索牵引轮 8 轮槽宽度， 保证了柔索不脱离柔 索牵引轮 8 ； 两固定导向轮轮槽 7_4 的深度之和及槽宽小于导向轴 10 中孔的直径， 保证柔 索不与导向轴干涉 ； 周转导向轮 4_4 轮槽的宽度以及深度之和小于导向轴 10 中孔的直径， 其宽度与柔索 3 直径相当， 保证柔索 3 不与导向轴 10 干涉并稳定的工作在周转导向轮 4_4 轮槽内。 说 明 书 CN 102302835 B 6 1/4 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 102302835 B 7 2/4 页 8 图 2 说 明 书 附 图 CN 102302835 B 8 3/4 页 9 图 3 说 明 书 附 图 CN 102302835 B 9 4/4 页 10 图 4 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 102302835 B 10 。